طراحی مبدل تمام پل و نیم پل و پوش پول

در طراحی مبدل سوئیچینگ بیشتر از ۲۰۰W، مبدل نیم پل و تمام پل و پوش پول توصیه می شود. مبدل های نیم پل (half bridge) و تمام پل (full bridge)  و پوش پول (push pull) شماتیک مشابه یکدیگر دارند. این مبدل ها کاهنده و ایزوله با جریان سلف پیوسته هستند و این سلف به همراه خازن در خروجی فیلتر پایین گذر lc تشکیل می دهد.. این مبدل ها برای توان های بالا کاربرد دارند و توان خروجی زیر ۵۰۰ وات مبدل نیم پل و توان خروجی بالای ۵۰۰ وات مبدل تمام پل استفاده می شود. این مبدل های ولتاژ DC تولید شده توسط پل دیودی و خازن صافی را به ولتاژ AC با فرکانس بالا مناسب برای ترانسفورماتور با هسته فریت تبدیل می کنند و در ثانویه ترانسفورماتور یک پل دیودی سریع یا یکوساز دیودی با ترانسفورماتور سر وسط دار، موج AC فرکانس بالا را به موج DC تبدیل کرده و سپس یک فیلتر LC پایین گذر ولتاژ صاف و بدون ریپل در خروجی تولید می کند. مبدل نیم پل و پوش پول دو سوئیچ دارند و مبدل تمام پل چهار سوئیچ دارد. مبدل پوش پول نیاز به PWM ایزوله ندارد ولی مبدل های نیم پل و تمام پل به ترتیب یک و دو PWM ایزوله نیاز دارند. البته برای فیدبک داشتن مبدل ها با توجه با قرار گیری تراشه tl494 در ثانویه و سمت خروجی، برای انتقال pwm به اولیه مدار به ترانس پالس نیاز است و حتی مبدل پوش پول هم از این قاعده در حالت فیدبک دار بودن مبدل، مستثنی نیست. استرس ولتاژ سوئیچ در مبدل نیم پل و تمام پل برابر با ولتاژ ورودی است ولی سوئیچ ها در مبدل پوش پول بیش از دو برابر ولتاژ ورودی استرس ولتاژ دارند. در مبدل پوش پول اگر مشخصات دو سوئیچ یکسان نباشد یکی از سوئیچ ها جریان بیشتری از دیگری عبور می دهد و داغ می شود و در نهایت می سوزد. به همین خاطر طراحان کمتر به سراغ این مبدل می روند.

البته با استفاده از تکنیک بوت استرپ(bootstrap) و اپتوکوپلر های فرکانس بالا می توان با یک تغذیه مجزا (مثلا فلایبک) ، چهار اپتوکوپلر را در ثانویه انها تغذیه کرد و پالس های به مراتب بهتری نسبت به ترانس پالس از ثانویه اپتوکوپلر به ماسفت ها می رسد که تلفات سوییچینگ ماسفت قابل توجه کاهش می یابد.  به اولیه اپتوکوپلر ها، پالس های TL494 وارد می شود.  در بخش اموزشی وبسایت در مورد انتقال ایزوله پالس با تکنیک بوت استرپ نوشته شده است.

کنترل مبدل نیم پل و تمام پل و پوش پول با TL494

در حالت ایده ال و بدون تلفات، رابطه ولتاژ خروجی به ورودی به شرح زیر است:

این مبدل ها با IC های PWM ساز مود ولتاژی مثل TL494  (لینک دانلود دیتاشیت ) کنترل می شوند. TL494 توانایی کنترل مبدل با کنترل کننده خطی و تناسبی (P) را دارد. این IC همچنین می تواند جریان خروجی مبدل را کنترل کند. به همین منظور دو آپ امپ که خروجی های انها به هم متصل است و یکی برای کنترل ولتاژ و دیگری برای کنترل جریان است در TL494 جایگذاری شده است. پایه های TL494 به شرح زیر هستند

پایه ۱ پایه مثبت آپ امپ کنترل ولتاژ است و به آن فیدبک از خروجی وصل می شود.

پایه ۲ پایه منفی آپ امپ کنترل ولتاژ است و به آن رفرنس ولتاژ متصل می شود.

پایه ۳ خروجی آپ امپ های کنترل ولتاژ و جریان است.

پایه ۴ پایه ی dead time  است که برای حداکثر Duty Cycle را تعیین می کند و از این پایه برای را ه اندازی نرم مبدل نیز استفاده می شود.

پایه ۵ و ۶ برای تولید موج مثلثی استفاده می شوند و خازن و مقاومت نوسان ساز به ترتیب به انها متصل می شوند. موج مثلثی با اتصال پراب اسیلوسکوپ به پایه ۵ قابل شناسایی می باشد. این موج مثلثی با ولتاژ DC پایه ۳ مقایسه می شود و PWM تولید می شود.

پایه ۷ تغذیه منفی است

پایه ۸ و ۹ و ۱۰ و ۱۱ پایه های ترانزیستور هستند که ۸ و۱۱ به ترتیب کلکتور ترانزیستور اول و دوم و ۹ و ۱۰ به ترتیب امیتر ترانزیستور های اول و دوم هستند. بسته به اینکه طراح می خواهد Duty cycle بیشتر یا کمتر از ۵۰% باشد، این ترانزیستور ها Pull up  یا Pull down  می شوند. از این پایه ها به عنوان خروجی PWM ساز استفاده می شود. از انجایی که در مبدل های فوقالذکر Duty Cycle کمتر از ۵۰% است، باید ترانزیستور ها Pull down شوند.

پایه ۱۲ تغذیه مثبت است

پایه ۱۳ پایه کنترلی است که اگر به پایه ۱۴ که ۵ ولت رفرنس است متصل شود شکل موج PWM های تولید شده در ترانزیستور ها ۵۰% شیفت فاز دارند. طبیعتا برای مبدل های فوقالذکر ۵۰% شیفت فاز نیاز است.

پایه ۱۵ پایه منفی آپ امپ کنترل جریان است و رفرنس جریان به آن متصل می شود. و پایه ۱۶ پایه مثبت آپ امپ کنترل جریان است و به آن فیدبک جریان از خروجی متصل می شود.

TL494 توانایی راه اندازی توسط سیم پیچ اضافی را ندارد و از این رو از ترانسفورماتور هسته اهنی یا مبدل فلای بک برای تغذیه ان استفاده می کنند. همان طور که گفته شد TL494 می تواند با کنترل کننده خطی تناسبی P مبدل را کنترل کند از این رو ریپل ولتاژ ورودی ۱۰۰ هرتز بعد از خازن صافی با کم و زیاد شدن Duty Cycle توسط کنترل کننده تناسبی در خروجی قابل حذف است و می توان در خروجی ولتاژ صاف و بدون ریپل داشت. از عیوب کنترل کننده تناسبی می توان به کم و زیاد شدن ولتاژ خروجی به مقدار کم با زیاد و کم شدن جریان خروجی به صورت محدود اشاره کرد.

شکل زیر مبدل نیم پل کنترل شده با TL494 را نشان می دهد.

پایه ۱۶ تراشه، برای کنترل جریان خروجی است. جریان خروجی توسط مقاومت با ظرفیت پایین و توان ۲ وات، حس می شود و تبدیل به ولتاژ می شود. اگر جریان از مقدار رفرنس که به پایه ۱۵ تراشه متصل است، بیشتر شود، ولتاژ خروجی کاهش می یابد. گاهی اوقات برای حس کردن جریان خروجی، گاهی چندین مقاومت موازی نیاز است. برای استفاده نکردن از چندین مقاومت موازی، می توان یک مقاومت ظرفیت پایین با توان دو وات استفاده کرد و ولتاژ ان را از طریق یک اپ امپ اضافی، به ولتاژ بیشتر و قابل حس برای اپ امپ تراشه tl494، تقویت شود.

تراشه tl494 دو اپ امپ دارد . یکی برای کنترل ولتاژ و دیگری برای کنترل جریان. ولی خروجی این دو اپ امپ مشترک است و این پایه مشترک، پایه ۳ ان است که ولتاژ این پایه با دندان اره ای اسیلاتور بر روی پایه ۵ مقایسه می شود و pwm ساخته می شود. بهتر است برای بهبود عملکرد  تراشه، خازن صد نانو فاراد بین پایه ۳ و زمین قرار گیرد.

این تراشه قابلیت سافت استارت دارد. یعنی در لحظه راه اندازی، پهنای پالس از مقدار کم شروع می شود و به ارامی زیاد می شود تا به مقدار نهایی برسد. سافت استارت برای کنترل جریان هجومی موثر است. برای استفاده از سافت استارت باید به پایه ۴، وسط خازن و مقاومت سری شده را اتصال داد سر غیر مشترک خازن، به ولتاژ رفرنس تراشه وصل می شود و سر غیر مشترک مقاومت به زمین متصل می شود.ولتاژ مقاومت با ثابت زمانی rc از مقدار رفرنس به مقدار صفر ولت می رسید و به تدریج پهنای پالس زیاد می شود.

لطفا از محصولات پیشگام سوئیچینگ دیدن فرمایید

از دیگر صفحات سایت بازدید نمایید.